原标题：这是一条很“冷”的推送
来源:南京大学
小蓝鲸们~当你看着一路下行的天气预报曲线，偶尔对没有暖气的南方冬季心生幽怨时，在你身边，一个材料和天文“联姻”的科研团队已经“冷”出了新境界，他们，正在琢磨给行星降温！假如没太懂的话，别急，请睁大眼睛往下看——
合成材料和仰望星空本是两种不同的研究姿态，碰撞一起，会产生怎样的火花？通过学科交叉和国际合作，南大科研人员成功研制出一款新材料，可以让炽热的太阳和寒冷的太空达成温控“协定”，实现全天候辐射制冷。
这款刚刚发表在学术期刊Nature Nanotechnology上的新材料，学名叫“聚合物纳米纤维薄膜”，是南京大学光热调控中心的最新科研成果。这块薄膜通过分子与纳米尺度的分级设计，拥有了高效反射太阳光和辐射散热的性能，从而具有神奇的、天然的“自降温”效果。或者，你可以把它想象成一层“冷感皮肤衣”。当然，它的最佳“竞技场”是在夏季：
炎炎烈日，走几步就大汗淋漓；
打开汽车门，迎面滚滚热浪；
手机玩一会儿，触感仿佛要自爆……
如果采用这款“神奇薄膜”，
一切将大不同：
长时间户外曝晒的汽车，
没了变身“铁板烧”的烦恼，
好像停在地下车库般清凉；
新材料加持的摩天大楼，
从此告别空调，
有效减缓温室效应；
热衷户外运动的健身达人，
身披“新战衣”，
自带清凉体质，行走如风……
这块神奇的薄膜，
究竟是如何诞生的？
神奇薄膜的“炼成”
聚合物纳米纤维薄膜的诞生，要回到一项名叫“辐射制冷”的新型制冷技术。当传统制冷方式面临着耗能巨大、加剧温室效应的挑战时，制冷界的“环保新秀”辐射制冷技术，近年来颇受关注。顾名思义，辐射制冷指的是物体将自身热量用热辐射的方式通过大气透明窗口（8-13 μm）发散至外太空，在0能耗的条件下达到制冷效果。
然而，以往的辐射制冷技术受制于制冷体材料的设计和制备工艺, 大多数聚合物材料的辐射波段都覆盖了整个中红外波段（3-25 μm），因此在热辐射的同时，也产生了额外的能量吸收。也就是说，物体辐射散热的同时，也在吸收能量生热。
南京大学光热调控中心有效攻克了这一难题，通过分子与纳米尺度的分级设计和可放大量产的生产工艺，制备出了在中红外具有选择性发射和高效太阳光反射的聚合物纳米纤维薄膜，实现了高性能全天候辐射制冷。
团队发现，仅具有C-C，C-O，C-H的聚环氧乙烷（PEO），因其化学键振动峰C-O-C键合和C-OH键合与热辐射的主要波段通道——大气透明窗口（8–13 μm）重叠，可实现在8-13 μm波长范围内的选择性发射。通俗而言，PEO材料能够完美地让热量“只出不进”。
除了选择性辐射之外，对太阳光的反射也是影响辐射制冷效率的重要因素。在微纳米结构设计层面，研究团队基于米氏散射理论的计算结果，设计了随机堆叠的直径尺寸在500-1200nm的PEO纳米纤维，实现了强烈散射太阳光的效果。
研究并不仅仅止步于材料的研制开发。在宏观尺寸制备层面，团队对传统实验室级静电纺丝工艺进行改进，通过卷对卷的纤维收集方式制备出了宏观尺度的es-PEO薄膜。——所谓“卷对卷”（roll to roll processing），是指一种在一卷薄塑料或金属上大量制备纳米级材料的工艺，其形态类似于传统织物的生产过程。这项工艺的最大特点是设备便宜、产量高、制备成本低。
图1. 选择性热辐射体的理论分析和工艺过程
a）选择性热辐射体和非选择性热辐射体的辐射传热示意图 ；b）理想选择性选择性热辐射体和非选择性热辐射体的中红外光谱 ；c）理想选择性选择性热辐射体和非选择性热辐射体制冷功率-温度曲线 ；d) PEO化学键振动的红外发射原理图 ；e）es-PEO薄膜微纳米结构对太阳光的有效反射 ；f）卷对卷静电纺丝制备的大面积es-PEO薄膜实物图
光热调控中心朱斌博士介绍说，聚合物纳米纤维薄膜最大的意义在于，它在能够大规模生产的可能性上实现了精准的选择性辐射。“以往的辐射制冷研究大多是宽谱的发射，比如在5-20 μm波段都有发射，那么传递效率就会比较低。而能够做到8–13 μm的选择性发射的研究，是通过精细加工来做的，但它又不能大批量生产。”
也就是说，这块创新的“高精尖”薄膜将不仅停留在实验室里，更极有可能走进寻常百姓家。
从地球制冷到行星降温
研究测试显示，在日光照射下，es-PEO薄膜可以实现低于环境5℃的制冷效果；在夜间，es-PEO的温度则比环境温度降低约7°C。
“户外降温需求很多，因此这项成果有着广阔的应用前景。”参与项目的硕士生李朵介绍说。
大到户外建筑、基站、工地，小到汽车、空调、手机等设备，“披上”这层自动降温的材料，就能够有效地降低功耗。而对于人体来说，穿上由这款材料制成的衣服，就仿佛穿上了一层体贴备至的“清凉肌肤”，即使烈日当头、激烈运动，也能散发凉意。
“光和热是宇宙间最常见的两种能量形式，”光热调控中心朱嘉教授打了一个有趣的比方，“我们是在利用世界上最热的太阳作为‘加热器’，用最冷的外太空作为‘制冷源’，这个过程中不消耗地球上的能源。”假设光热调控可以向“制冷”和“制热”两个方向同时迈进，那么将来人类就能够在一定条件下实现不耗能的自动温控设备。
地球并不是这块小小薄膜唯一的用武之地，它还有可能冲出地球，去完成改造其他行星的任务。
天文学院谢基伟教授介绍说：“近些年， 天文学家已经在太阳系外发现了一些可能适合生命宜居的行星。然而，对一般生命宜居并不等于对人类宜居。”比如开普勒-62e，它是一颗处在宜居带（与它的主恒星距离适中温度合适的地带，如图2a的Habitable zone所示）的类地行星，但它的表面温度大约在340K（约67℃），对于人类来说显然过高。
研究人员的初步模型显示，es-PEO薄膜可有效调节类地行星的温度。团队通过建模计算发现，如果开普勒-62e和地球有相同的大气成分， 那么es-PEO薄膜能够将该星球的温度从340K（约67℃）降低到295K（22℃）。这意味着，es-PEO薄膜在温控方面，为改善类地行星的人类宜居性提供了技术可行性。
图2. a) 开普勒-62和太阳系的示意图 b) 具有不同发射光谱的制冷功率和降温曲线
学科融合结佳果
es-PEO薄膜的诞生历程中留下了学科交叉的深深印记。薄膜本身的设计研发过程，是基于物理、化学和材料的学科知识；而运用于开普勒-62e类地行星的建模计算，则是和天文学院共同合作的成果。
如果进一步拓宽视野，分层设计的光热调控技术可能跟更多学科交叉互动：将技术应用于水处理项目，这与环境学密不可分；应用于解决气候变迁问题，这和地球、大气科学丝丝相扣；如果该技术用在手机芯片的散热问题上，也将和信息领域产生深度交融。
学科的交叉融合能够让各个院系走出自己的既有领域，碰撞出灵感火花。朱嘉认为，在南大强大的基础学科力量基础上，学科交叉可以产生1+1>2的效果, 创造更多好东西。“当然大家都知道，现实学术环境，要交叉融合，还不容易。好在越来越多人已经意识到学科交叉融合的重要性，我们会继续坚持下去”。
该项目是在国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目支持下完成的，斯坦福大学范汕洄教授、南京大学天文与空间科学学院谢基伟副教授给予了大力支持和帮助。南京大学硕士生李朵、刘鑫、斯坦福大学李炜博士为论文的共同第一作者，南京大学朱斌博士和朱嘉教授为论文通讯作者。
参考文献
Li, D., Liu, X., Li, W. et al. Scalable and hierarchically designed polymer film as a selective thermal emitter for high-performance all-day radiative cooling. Nat. Nanotechnol. (2020). https://doi.org/10.1038/s41565-020-00800-4
